強夯法加固公路地基的設計方法研究

李圣彬　盧　偉

[摘要]強夯法能提高地基土的強度、降低其壓縮性,目前已在工業民用建筑、公路及鐵路路基等地基加固工程中得到成功運用。但至今尚無一套非常成熟的設計計算方法供施工者應用,結合工作實踐,探討和分析強夯法的主要設計參數。

[關鍵詞]強夯法 公路及鐵路路基 設計參數

中圖分類號:TU4文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)0810082-01

一、引言

強夯法雖然已在工程中得到廣泛的應用,但至今尚無一套非常成熟的設計計算方法。目前通常是針對工程實際情況根據經驗初步選定設計參數,再通過現場試驗的驗證和必要的修改后,最終確定出適合于現場土質條件的設計參數。強夯法的主要設計參數包括:有效加固深度、夯擊能、兩遍夯擊間隔時間等。

二、有效加固深度的主要影響因素

土體的加固影響深度是任何一種地基處理方法都要重點考慮的問題之一。在強夯法中,加固深度是上部結構基礎設計的主要依據。

(一)夯擊能與加固深度。對于待加固的地基土體,所受應力除本身自重應力以外,唯一依靠的外應力便是夯錘的打擊力,特定地基土體加固深度便直接由夯錘引起的外應力來決定。表述強夯夯擊外應力的方式多種多樣,如能量(Wh)、動壓力(P/A)等。勢能(Wh)不僅與加固深度表現出良好的相關性,而且由于量測計算以及表達方式簡單,更易在工程上直接運用。

(二)夯錘底面積與加固深度。從大量工程實踐出發,認為強夯夯錘底面積大小的選擇,一是與起重機本身的能力有關,底面積過大,受設備撥桿起吊角度限制;二是與待加固地基土體類型有關。一般說來,對于砂質土和碎石填土等粗粒土采用小底面積2～4m2夯錘,對于粘性土采用3～4m2的夯錘,對于淤泥質土采用4～6m2的大底面積夯錘。究其原因,認為對于淤泥質土,若采用小面積夯錘會發生入土過深從而吸錘,造成起錘困難。而在粗粒土中則影響不大。

夯錘底面積的大小直接決定著夯錘著地時的動壓力或稱沖擊壓力,進而決定著強夯的加固深度。當單擊夯擊能相同時,錘底面積大,則錘底動應力小,夯坑淺,因分布面積大,衰減慢,錘底影響深度大。當錘底面積小時,錘底動應力大,夯坑深,因分布面積小,衰減快,錘底影響深度小。

(三)土體特征與加固深度。土體是固、液、氣三相體,而液、氣兩相存在于固體顆粒之間的孔隙之中,加固土體的目的便是盡可能地縮小孔隙,排出液、氣兩相,使得固體顆粒更加靠近,甚至直接接觸,其結果是土體的密實度增加,強度提高,壓縮性降低。而表述土體密實程度最為直接的指標是孔隙比(度)或土體的容重。

與孔隙比(度)相比,土體的容重不僅反映了土體中固體顆粒排列的松緊程度,更能反映固體顆粒的礦物組成,特別是干容重愈大的土體,說明顆粒排列緊密,孔隙度低。容重的提高亦是土體強度提高的直接標志之一。干容重大,容許承載力高的土體對夯擊外應力的阻力也大,使夯擊力效率降低,進而減小加固深度。因此,加固深度應與土體的干容重成反比。如果說,土體容重反映了加固土體的組成和結構特征對強夯施工加固深度產生影響的話,土體的水分狀況又是強夯施工中要考慮的重要因素。士體過于干燥,即使很密實,固體顆粒本身由于水分的缺乏,而處于單粒分散狀態,夯擊時,甚至由于振動而松動,強夯施工過后,地表層相對松散,密實程度不高便是由振動引起的。另一方面,適當的含水量會使固體中的膠粒成分激活,使分散的顆粒可以膠結在一起,同時,適當的水分含量還可使顆粒之間進行聯接,從而提高土體的強度。

三、夯擊能量的確定

單擊夯能為夯錘重W與落距h的乘積。錘重和落距越大,加固效果越大。整個加固場地的總夯擊能量(即錘重×落距×總夯擊數)除以加固面積稱為單位夯擊能。強夯的單位夯擊能應根據地基土類別、結構類型、荷載大小和要求處理的深度綜合考慮,并可通過現場試驗確定。

(一)總單位面積夯擊能。一般粗粒土可取1000～3000kJ/m2,細粒土可取1500～4000kJ/m2,含水量高的軟弱粘性土,加固深度大,單擊能量大及承載力要求高時取大值。強夯加固地基土似乎有一個加固強度或密實度的極限值,Leonards認為其值相當于靜力觸探比貫入阻力Ps=15MPa,或標準貫入擊數N63.5=3040。達到這一極限再增多夯擊能只能使場地隆起,而無加固效果。這一極限對細粒土可定為加固至土體含強結合水時土飽和的含水量及其相應的密實度,因為此時孔隙水已不能排除,無法再加密;在黃土中,其值約為干密度1.8g/cm3,或孔隙比e=0.5;對粗粒土可認為此極限是相對密實度Dr達到0.8～0.9。

(二)每遍單位面積夯擊能。對飽和土需要分遍夯擊,這是因為每一遍夯擊也存在一極限夯擊能。根據梅納關于飽和土夯擊時土液化、孔隙水壓力升高的觀點,每遍極限夯擊能為地基中孔隙水壓力達到土的自重應力時的夯擊能,此時土已液化,稱之為每遍最佳夯擊能或飽和夯擊能。在實際工程中,實測的孔隙水壓力值多達不到上覆土的自重應力值。其最大值與被測試的土類型、孔壓測量儀表位置、夯點數量及夯擊順序有關。

在論述飽和土的加固機理時,已說明強夯時的孔隙水壓一般為強夯擠密孔隙水壓,與地震液化的孔隙水壓不盡相同,而難以按孔隙水壓值來確切判定飽和夯擊能,但可認為夯擊時錘底加固區的擠壓力超過坑側土的約束力,土隆起,此時已無加固效果不應繼續夯擊,可將此夯擊能作為飽和夯擊能,若土不隆起,則可繼續夯擊,使主壓實區加深、擴大。試夯達到強夯要求的最后貫入度可用以控制施工,以控制加固效果。因此單遍夯擊飽和夯擊能應根據以下三條原則之一通過試夯決定,也可通過相似工程類比決定。1.側土不隆起或每擊隆起量小于每擊夯沉量,這表明土仍可擠密。2.夯坑不得過深,以免造成提錘困難。為增大加固深度,必要時可在夯坑內加填粗粒料,形成土塞,增多錘擊數。3.每擊夯沉量不得過小,過小無加固作用。

四、兩遍夯擊間隔時間的確定

兩遍夯擊之間應有一定的時間間隔,以利于土中超靜孔隙水壓力的消散,所以間隔時間取決于超靜孔隙水壓力的消散時間。但土中超靜孔隙水壓力的消散速率與土的類別、夯點間距等因素有關。對于滲透性較好的砂土地基等,一般在數小時內即可消散完,但對滲透性差的粘性土地基,一般需要數周才能消散完。夯點間距對孔壓消散速率也有很大的影響,夯點間距小,孔壓消散慢,反之孔壓消散快。當缺少實測孔壓資料時,可根據地基土的滲透性確定間隔時間,對于滲透性較差的粘性土地基的間隔時間,一般應不少于3～4周;對于滲透性好的地基,則可連續夯擊。

參考文獻:

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[3]李九林,強夯法在加固高速公路軟弱和液化地基中的應用,鐵道標準設計,2004.